Углеродные волокна из нанотрубок позволяют создать превосходную связь с головным мозгом

Углеродные волокна из нанотрубок, изобретенные в Rice University, могут обеспечить прекрасный способ обмена информацией с головным мозгом.

Волокна оказались лучше для проведения глубокой стимуляции мозга и считывания сигналов от центральной нервной системы,чем металлические электроды.

Из-за возможности двустороннего обмена сигналами, их использование многообещающе для лечения пациентов с неврологическими заболеваниями, для осуществления мониторинга за ответом нервных клеток, которые контролируют движения, настроение и другие функции организма, в режиме реального времени.

Новые эксперименты, по мнению исследователей, продемонстрировали, что биосовместимые волокна являются идеальными кандидатами для создания небольших, безопасных электродов, которые взаимодействуют с нейронной системой головного мозга.

Они могли бы заменить более крупные электроды, используемые в настоящее время в приборах для глубокой стимуляции мозга при лечении пациентов с болезнью Паркинсона.

Исследователи считают, что волокна из нанотрубок можно использовать в передовых технологиях для восстановления сенсорных или моторных функций, создания нейрокомпьютерного интерфейса, а также для глубокой стимуляции мозга при других заболеваниях, в том числе дистонии или депрессии.

Статья на эту тему появилась на сайте журнала Американского химического общества ACS Nano в марте 2015 года.

Волокна, созданные в лаборатории Rice University инженером-химиком Маттео Паскали, состоят из пучков длинных нанотрубочек. Они были изначально предназначены для использования в аэрокосмической промышленности, где прочность, вес и проводимость имеют первостепенное значение.

Отдельные нанотрубки имеют диаметр всего лишь несколько нанометров. Когда несколько миллионов таких трубочек соединяются, они становятся нитевидным волокном диаметром около 1/4 человеческого волоса.

«Мы создали эти волокна из высокопрочных материалов с высокой электропроводимостью, — говорит Паскали. – Когда же они оказались у нас в руках, мы поняли, что волокна имели неожиданное свойство– они были очень мягкими, почти как шелк.

Уникальное сочетание прочности, проводимости и мягкости сделало эти волокна идеальным выбором для взаимодействия с тканями организма человека, имеющими электрическую функцию».

«Мозг имеет мягкую консистенцию и плохо взаимодействует с жесткими металлическими электродами, — говорит КалебКемер, доцент RiceUniversity, проводивший эксперименты на животных моделях болезни Паркинсона. – Мечтой являются электроды с такой же консистенцией, поэтому мы очень рады изобретению гибких углеродных волокон из нанотрубок и их долгосрочной биосовместимости».

Эксперименты на живых клетках

Эксперименты на живых клетках, а затем и на крысах с симптомами болезни Паркинсона, длительностью несколько недель, показали, что волокна сравнимы по стабильности и эффективности с коммерческими платиновыми электродами при их меньшем размере.

Мягкие волокна вызывали небольшое воспаление, что помогало сохранить сильные электрические соединения с нейронами, предотвращая развитие защитных реакций организма на стороннее тело (рубцевание, инкапсуляция).

Высокая проводимость и низкое сопротивление

Калеб Кемере указывает также на то, что высокая проводимость углеродных волокон сопровождается также более низким сопротивлением и более высоким качеством электрического соединения, чем у самых современных металлических электродов. Благодаря этому можно достичь лучшего контакта, используя более низкое напряжение сигнала, на протяжении длительного времени.

Рабочий кончик такого волокна оголенный, имеет размер, как нейрон. Остальная часть покрыта слоем гибкого биосовместимого полимера толщиной 3 микрона с отличными изолирующими свойствами.

Основной задачей является размещение кончика волокна. «На самом деле это достаточно просто осуществить, зная строение головного мозга. Во время процедуры электроды очень деликатно размещаются в нужном месте», — говорит КалебКемере, изучающий методы соединения системы обработки сигналов и когнитивных центров и центров памяти головного мозга.

Врачи, имплантирующие устройства для глубокой стимуляции головного мозга, начинают с регистрирующего зонда, умеющего «слушать» нейроны, которые выделяют специфические сигналы, зависящие от их функции. Когда хирург находит нужное место, зонд удаляется, и осторожно имплантируется стимулирующий электрод.

Углеродные волокна, которые могут отсылать и принимать сигналы, способны упростить процедуру имплантации.

Эти волокна могут привести к созданию саморегулируемых лечебных устройств для пациентов с болезнью Паркинсона и других больных. Современные устройства состоят из имплантата, который шлет электрические сигналы в мозг, чтобы прекратить дрожь, от которой страдают эти пациенты.

«Но наша технология имеет возможность записывать сигналы во время стимуляции, — говорит ФлавиаВитале, сотрудник лаборатории Паскале, имеющая научные степени в химии и биомедицинской инженерии. – Современные электроды могут только стимулировать ткани.

Они слишком большие, чтобы обнаружить любой всплеск активности, поэтому эти устройства шлют непрерывные импульсы независимо от реакции мозга на них».

КалебКемере предвидит изобретение замкнутых систем, которые смогут считывать нейронные сигналы и адаптировать стимулирующую терапию в режиме реального времени. Он ожидает создания небольшого имплантируемогоустройства с большим количеством электродов, которые позволят контролировать стимуляцию и мониторинг у каждого пациента индивидуально.

«Интересно, что проводимость — не самое важное свойство волокон из нанотрубок, — говорит Маттео Паскали. – Они внутри полые и имеют чрезвычайную стабильность. Эти два свойства — большое преимущество волокон над металлическими электродами для восприятия электрохимических сигналов и поддержания работоспособности в течение длительного периода времени».

Видео на английском языке.